Estructuras biónicas: de tallos a rascacielos Understand article

Traducido por Adela Calvente. Tanto una hoja de hierba como una torre alta necesitan elevarse contra las fuerzas que tratan de nivelarlos. ¿Existen algunos principios de diseño que puedan utilizar para alcanzarlo?

¿Qué tienen en común la Torre Eiffel y un tallo de trigo? Desde luego no su escala, pero si miramos en detalle en su estructura, tienen muchas cosas en común. La icónica estructura de Gustave Eiffel marcó la nueva era del hierro como material de construcción y tuvo éxito porque fue capaz de realizar una estructura que era fuerte a la vez que ligera. Igual que la torre, el tallo del trigo necesita mantenerse erguido a pesar del viento y de las inclemencias del tiempo, usando a su vez los materiales mínimos. La solución del diseño en ambos casos es la misma: la estructura subyacente es hueca y tubular en vez de sólida, resistiendo la mayor parte de la fuerza sin la mayor parte del peso.

Los tallos de trigo no son los únicos en proporcionar una solución natural inteligente a un problema de ingeniería. De hecho, ésta es ahora un área de estudio con nombre propio: construcciones biónicas.

Qué es una construcción biónica?

La construcción biónica es un rama de la ciencia de la biónica. Su principal función es identificar estructuras y procesos en los sistemas biológicos que pueden ser aplicados de forma útil para construcciones de ingeniería. Su objetivo es reducir la cantidad de materiales y energía utilizados, creando así principios de diseño más sostenibles, una ambición muy del siglo XXI. 

En las construcciones biónicas, las construcciones ligeras de la naturaleza sirven como inspiración para soluciones técnicas. Precisamente como fue construida la Torre Eiffel, usando los principios de los tubos huecos (igual que algunos huesos del cuerpo humano), las estructuras biológicas pueden aportar modelos para el desarrollo de nuevos materiales y diseños de edificios.

Gramíneas: fuerza a través de la estructura

La familia de las gramíneas (Poaceae, anteriormente Graminaceae) tiene mucho que ofrecer a las construcciones biónicas, con su largo y fino tallo que combina alta resistencia a doblarse y romperse con un uso mínimo de material. Merece la pena mirar de cerca como las gramíneas lo consiguen. 

Al ver una sección transversal de un tallo de trigo (Triticum spp.) bajo el microscopio se descubre la explicación de la resistencia mecánica que tiene este miembro de la familia de las Gramíneas (Speck & Speck, 2006). Una capa externa de tejido duro, lignificado (leñoso) denominado esclerénquima, es reforzado en el interior por la presión de otros tejidos como el tejido vascular o el parénquima (figura 1). La estructura completa forma un cilindro, con el tejido más robusto en el exterior.

Pero el plan tiene otra fuente secreta de fuerza: detrás de la pared exterior del tallo hay un material compuesto de fibra. Fibras lignificadas son embebidas en los tejidos interiores más suaves, formando un material comparable a estructuras de hormigón armado (un material compuesto fabricado a partir de una matriz de hormigón reforzado con mallas de acero)

Sin embargo, esta combinación de diferentes materiales aumenta el riesgo de que fuerzas intensas, como por ejemplo vientos fuertes, puedan romper el tallo y separar una capa de la otra a medida que el tallo se dobla. Esta es la razón por la cual la pared interna del tallo se construye en forma de gradientes, en las cuales diferentes propiedades, como el tamaño de la celda y el grosor de la pared celular, cambian gradualmente y se unen entre sí de forma fluida, haciendo que el material compuesto sea más estable (figure 1).

Bambú: construcción con hierba

Por supuesto, el miembro de la familia de las gramíneas que más rápidamente pensamos como útil en la construcción es el bambú. En Asia, el bambú es a menudo usado como un material de construcción o como andamio, incluso para algunos edificios de gran altura, debido a sus excelentes propiedades mecánicas.

Aunque las plantas de bambú (subfamilia: Bambusoideae) son gramíneas, su tamaño es una excepción. Algunas especies, como el bambú gigante (Dendrocalamus giganteus) puede alcanzar los 30m de altura, creciendo hasta 1 m al día. Sin embargo, su estructura es similar a la de muchas otras plantas: tienen raíces, tallo, hojas y flores.

Como otras gramíneas, el bambú tiene un tallo cilíndrico hueco, con nudos (o lazos) a lo largo de su estructura (figura 2). Esos nudos, que dividen el tronco en segmentos, consisten en paredes endurecidas que se extienden hacia el interior del tallo. Los nudos fortalecen la estructura, evitando que colapse por una fuerza lateral. Si el tallo fuera un tubo completamente hueco, cualquier presión lateral causaría en primer lugar que tomara forma oval y luego se aplanara completamente; la parte plana podría entonces doblarse y arrugarse.  Los nudos proporcionan apoyo frente la presión que ejerce la fuerza aplicada (Mattheck, 2004; Speck & Speck, 2006).

La Torre Biónica de Shanghai

Un proyecto de arquitectura futurista que toma su inspiración de la naturaleza hasta un punto extremo es la propuesta «Torre Biónica» de Shangai, China. Si se construye, esta construcción visionaria sería sobradamente el edificio más alto en el mundo, con 1228 m de alto y 300 pisos de altura. El diseño tiene como objetivo copiar estructuras encontradas en la naturaleza (no sólo para la torre en sí, sino también para sus cimientos. Una amplia red de anclajes, imitando raíces de árboles, reemplazaría a los cimientos convencionales con el objetivo de proporcionar una mejor protección frente a terremotos y fuerzas trasversales derivadas de fuertes vientos.

De acuerdo con el arquitecto Eloy Celaya, la extrema altura del edificio considera la naturaleza de otra manera: proporcionando espacio habitable para 100.000 habitantes sobre una base compacta con un área de tan sólo 166 m x 133 m. Dicha torre podría reducir la cantidad de tierra necesaria para acomodar una población mundial creciente, potencialmente permitiría preservar más espacio de las áreas naturales del mundo.

Construcción biónica en clase

aula sobre construcciones biónicas, la cuales son realizables por estudiantes que estén al final de escuela primaria o principio de la secundaria. Estos experimentos ayudan a los estudiantes a descubrir por sí mismo los principios del diseño discutidos en este artículo. Las hojas de trabajo y las instrucciones para los profesores se pueden descargar de la sección de material adicional^w1.

En la primera actividad (probando la estabilidad del bambú y la madera), los estudiantes comparan la fuerza y rigidez de la madera sólida y del bambú al ir cargando cada vez mayor peso en palos de cada uno de los materiales y midiendo después su desviación. Los estudiantes descubrirán que un palo de bambú hueco se deforma menos que un palo de madera sólida.

En la segunda actividad (cuerdas y cilindros), los estudiantes investigan porqué el bambú es tan fuerte y rígido observando una sección longitudinal de una caña de bambú que muestra los nudos y los entrenudos. A continuación, investigarán cómo los nudos añaden fuerza a toda la caña mediante el uso de tiras de papel pegadas en el interior de un tubo de cartón. 

Estas simples demostraciones pueden dan paso a posteriores investigaciones o discusiones sobre las construcciones biónicas, quizá enfocándose en la fantasía de la Torre Biónica o en otro tipo de estructuras arquitectónicas biónicas futuristas.